电动车城市道路循环试验开发方法研究

吉雷　袁志刚　姚伟　李伟庆　郑兴华

摘 要：针对传统试验场对电动车起步、停车工况验证不足的问题，基于城市道路起步停车次数多的特点，文章提出一种电动车城市道路循环试验开发方法。结合城市道路类型以及驾驶方式定义试验场景库，按照试验开发目标定义强度指标。根据试验场景库和试验里程构建初步试验方案，通过数据采集设备开展道路载荷测量。通过雨流计数法及疲劳损伤理论对道路载荷数据进行载荷强度计算，得出强度系数。根据强度系数阈值调整试验方案，达到强度系数目标，确定试验方法。实测结果证明：该方法具有可操作性，并能达到目标要求，完成实际试验开发。

关键词：电动车 城市道路 道路载荷 强度系数

1 引言

当前面临空气污染和能源危机等社会问题，电动汽车作为一个重要的解决方案，目前取得了很大的技术进步，并逐步得到用户认可。在政策和市场的双重作用下，2022年我国新能源汽车依然保持爆发式增长，全年产销量分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9％和93.4％，连续8年位居全球第一。并且，新能源汽车的市场占有率达到25.6％，高于2021年12.1个百分点。其中，纯电动汽车依然是整个新能源市场的核心，2022年销量为536.5万辆，同比增长81.6％。

从消费者的使用需求来看，82.6%的消费者为代步使用，因此电动车在实际使用中城市工况占大多数。城市工况会产生很多起步停车的动作，并且经常使用到能量回收功能，在能量回收过程中会对动力电池充电并对传动系产生载荷，因此电动车城市工况会对驱动电机、传动轴和动力电池产生更大的载荷强度。传统试验场试验是基于燃油车进行设计开发，启停工况少，不能满足对于该载荷强度的验证。

本文根据试验目标，设计通过公开路面实现耐久试验开发方案，通过实际道路载荷测量和强度计算，能够达到目标要求，试验方法获得认可，验证了该方案的可行性，为基于公开路面进行耐久试验开发提供指导。

2 试验场景库及强度指标定义

根據城市道路特点及实际驾驶方式，对城市道路进行调研，即统计道路类型和与道路类型对应的路况和驾驶行为。道路类型包括环岛、铁轨路口、红绿灯路口等，路况包括城市拥堵路况，驾驶行为包括掉头、直角转弯、超车、起步、刹车等。

针对该试验的目标和考察重点定义强度指标，包括：横向加速度、纵向加速度、Z向加速度、油门踏板、车速、电机转速、电机扭矩。

3 道路载荷测量

3.1 规划初步运行方案

根据场景库与测试要求的匹配性以及总的试验里程规划初步运行方案。比如为了满足纵向加速度强度指标，需要选择红绿灯多的城市拥堵路段，这样会有更多的起步和停车次数，并且需要用运动的风格驾驶车辆，运动的风格指的是大的油门起步以及重踩制动踏板，这样会产生大的纵向加速度以匹配测试要求。

结合道路类型、路况和驾驶行为制定初步运行方案，该方案包括两条城市道路，分别见图1和图2。

3.2 道路载荷测量准备

选取和标准数据相同的车辆，并按车辆允许载荷的80%进行加载。加载通过装载85kg水人的方式进行，对于不足的载荷可以用沙袋进行补充。

通过车辆总线连接数采设备，并进行配置文件编写，保证能够记录强度指标对应的总线信号。

对驾驶员进行培训，遵守道路交通规则，以安全为前提。按照运行风格进行驾驶，快速起步和大力制动可以获得更好的纵向载荷，快速过弯可以获得更好的横向加速度，Z向加速度通过不同路面颠簸和对应的车速来获取。

3.3 道路载荷测量

在遵守道路交通规则和安全的前提下，按照要求的驾驶方式在选定的两条道路上行驶，采集道路载荷数据，记录每条路测量的开始和结束时间以及驾驶员姓名。为了避免数据的随机性，对每条道路进行4次测量，并由两名驾驶员进行驾驶，按照要求做好数据记录。

4 载荷强度计算

4.1 数据预处理

首先通过测量时间检查数采设备记录的数据是否完整，并对原始数据进行转化。对数据总线解析文件进行编辑处理，获得需要的总线信号。通过特定的数据解析文件对原始数据进行提取，得到强度指标对应的总线信号，包括横向加速度、纵向加速度、Z向加速度、油门踏板、车速、电机转速、电机扭矩等。纵向加速度信号如图3所示。并按要求的格式输出，以便进行载荷强度计算。

4.2 载荷强度计算

应力幅的大小直接关系到结构的损伤度计算，因此需要对测量的数据进行统计，以便得到不同大小应力幅的出现次数。然后结合各应力幅对应的损伤度和各应力幅出现的次数，得出结构的总损伤。

雨流计数法简称雨流法，也称塔顶计数法。雨流计数法对载荷的时间历程进行计数的过程反映了材料的记忆特性，具有明确的力学概念，因此该方法得到了普遍的认可。

雨流计数法计数方法如图4所示：

1）雨流的起点依次从每个峰值的内侧边开始，波形左半部为内侧边；

2）雨点在下一个峰值落下，直到对面有一个比开始时的峰值更大的峰值为止，也就是说比开始时的最大值更大的值或者比最小值更小的值为止；

3）当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时，也就停止；

4）按以上过程取出所有全循环，并记下各自的变程；

5）再按正负斜率去除所有半循环，并记下各自的变程；

6）把取出的半循环按修正的“变程对”计数法配成全循环。

本文通过雨流计数法以及疲劳损伤理论对道路载荷数据进行强度计算，并和强度标准进行对比，得出强度系数。

如果某强度指标未达到强度标准，则从场景库中选择能够提高该指标的场景，从而将相应的路段、路况和驾驶行为加入到新的运行方案中。比如，纵向加速度指标不满足强度标准，就多加红绿灯，加速行为、制动行为。

如果某强度指标明显超过强度标准，可以从新的运行方案中剔除能够提高该指标的场景。

对新的运行方案进行强度计算，直到所有指标都满足强度系数阈值，纵向加速度、横向加速度及Z向加速度强度系数计算结果如图5所示。

对不同电机扭矩和持续的时间进行统计，电机扭矩和持续的时间与目标值具有良好的一致性，如图6所示。

4.3 制定试验方案

根据载荷计算结果，确定试验路线及驾驶方式，制定试验方案。主要要求如下：

1）车辆按允许载荷的80%加载；

2）在遵守道路交通规则的前提下，按照运动的方式驾驶，重踩油门加速起步以及重踩制动踏板减速，已获得足够的纵向加速度；快速过弯以获得足够的横向加速度；

3）按照路线1和路线2交替循环运行的方式开展试验，完成10万公里试验里程。

5 结论

本文通过试验场景库及强度指标定义、道路载荷测量、载荷强度计算及优化，完成城市道路循环试验开发，试验方案已获得认可。该方法简要过程如图7所示。

实测结果证明，该方法具有可操作性，为后续基于公开路面开发耐久试验提供参考。

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